第4章 合金钢-1.ppt

第四章合金钢 碳钢的强度 硬度总的说来还是比较低的 虽然可以通过调节碳含量及热处理的方法来提高其力学性能 但其淬透性及回火稳定性差 限制了其应用 淬透性 表征钢件淬火时形成 的能力 用淬硬层深度来表示 淬硬性 以大于上临界冷速的冷却速度冷却时得到的 的硬度 回火稳定性 在高温下保持硬度和强度的能力 4 1概述 为提高碳钢的力学性能 淬透性及回火稳定性 在钢中添加一定量的合金元素 合金钢 常用的合金元素有 Cr Mn Ni Co Cu Si Al B W Mo V Ti Nb Zr Re 等 微合金化钢是近二 三十年来钢铁生产中的最重要成就 在普通碳钢中只要加入极少量的 0 1 的强碳化物形成元素如此Ni Ti V或加少量的Al形成AlN再配合以控轧工艺 就可以制成屈服强度达350 550MPa 并具有良好韧性的低碳钢 合金元素的影响是永远的热点 一 合金元素的作用 合金元素在钢中的存在形式多样 还会改变相图 影响相变 所以要理解合金钢 必须了解合金元素及其作用 虽然很难 但我们无法回避 成分 组织 性能是材料科学的主旋律 成分的复杂性对研究工作带来困难 但同时也蕴藏着更多的发展潜力 合金元素在钢中的存在形式 固溶体 化合物 游离态 固溶体 碳化物 金属间化合物 非金属夹杂物 合金渗碳体 特殊碳化物 例 形成合金F合金元素溶入F后 由于原子半径和晶格类形的差异 必然引起 晶格畸变 产生固溶强化 使 的强度 硬度 而塑 韧性略有下降 P Si Mn Ni是显著的强化 元素 固溶体 固溶于F A M中Ni Si Co Mn Cr Mo W 它是合金元素溶入渗碳体中并置换部分铁原子而形成的碳化物 Fe Me 3CMe代表Mn Cr等合金元素 合金渗碳体比一般渗碳体稳定 硬度高 所以可以提高耐磨性 合金渗碳体 如 Fe Mn 3C Fe Cr 3C Fe Mo 3C Fe W 3C 等 由中强或强碳化物形成元素形成的碳化物 其共同特点是 熔点高 硬度高 稳定性高 很难溶入 中 特殊碳化物 VC TiC NbC ZrC WC MoCW2C Mo2C Cr23C6 Cr3C7 Fe3Mo3C Fe3W3C 金属间化合物 FeS FeCr Ni3Al Ni3Ti Fe2W 非金属夹杂物 Al2O3 AlN SiO2 TiO2 MnS 游离态 如Pb Cu等 一 合金元素改善钢的热处理工艺性能 除Mn外 所有合金元素都阻碍钢在加热时A晶粒的长大 尤其是Ti V Nb Zr Al等 可形成C N化物 阻碍晶界迁移 细化晶粒 1 细化奥氏体晶粒 除Co外 固溶于A中的合金元素总是不同程度的增加 稳定性 延缓 的转变 使C曲线右移 淬透性提高 合金钢可选择油淬 高合金钢甚至空冷即可获得M组织 2 提高淬透性 非碳化物形成元素及Mn 使C曲线右移 Mn Ni Cu 碳化物形成元素使C曲线右移 还改变C曲线形状 使P转变和B转变明显分开成两个转变图 Cr使B转变图右移的作用大于使P转变右移的作用 碳化物形成元素Mo W等使P转变图右移的作用大于使B转变右移的作用 空冷可获得B组织 3 提高回火抗力 产生二次硬化 防止第二类回火脆性 回火抗力是指淬火钢在回火过程中抵抗硬度下降的能力 又称回火稳定性 合金元素固溶于淬火M中可减慢碳的扩散 阻碍碳化物从过饱和固溶体中析出 推迟M的分解 延缓硬度下降 因此 合金钢具有较高的回火抗力 在相同回火温度下 含碳量相同的合金钢的硬度较碳钢高 在要求相同硬度条件下 合金钢的回火温度高 塑韧性好 一些含Cr Mo V等合金元素较多的合金钢 在500 600 范围内回火时 由于沉淀析出这些合金元素的碳化物并呈弥散状分布 因而对材料起到沉淀强化的作用 淬火钢在较高温度回火时 硬度不降低反而升高的现象称为二次硬化 淬火钢回火后的韧性下降现象称为回火脆性 在250 400 出现韧性下降 称第一类回火脆性 在500 600 回火后缓慢冷却时韧性亦会下降 称第二类回火脆性 产生回火脆性的原因 第一类回火脆性与M及残余A分解时沿M针条边界析出薄片状Fe3C有关 目前尚无有效方法消除 只能尽量避开在此温度范围内回火 第二类回火脆性 是因钢中的杂质S P Mn Si在晶界上偏聚引起的 对小型零件可采用回火后快冷的方法 而对于大型零件则可在材料中加入Mo W等 这些元素可阻止或延缓有害元素在晶界上的析出 防止第二类回火脆性的措施 固溶强化第二相强化细晶强化 二 合金元素提高钢的使用性能 1 提高钢的强度 Ni Si Al Co Cu Mn Cr Mo W等合金元素固溶于F A M中引起晶格畸变 增加位错运动的阻力 产生强化 1 固溶强化 硬度提高 韧性降低 Mn Cr Mo W V Ti Nb Zr等合金元素在钢中能够形成各种碳化物 合金碳化物 根据元素与碳亲和力的强弱 合金元素分为强碳化物形成元素 V Ti Nb Zr弱碳化物形成元素 Mn中强碳化物形成元素 Cr Mo W 第二相强化 合金碳化物 合金渗碳体 特殊碳化物 合金渗碳体 它是合金元素溶入渗碳体中并置换部分铁原子而形成的碳化物 Fe Me 3CMe代表弱及中强碳化物形成元素Mn Cr Mo W等合金元素 合金渗碳体比一般渗碳体稳定 加热时难溶入A中 也不易聚集长大 可阻碍位错运动 从而提高钢的强 硬度 提高耐磨性 一般低合金结构钢中主要的合金元素为 Mn Cr Mo等 故在此类钢中主要形成的是合金渗碳体 特殊碳化物 由中强或强碳化物形成元素形成的碳化物 其共同特点是 熔点高 硬度高 稳定性高 很难溶入 中 具有简单晶体结构的间隙化合物WC Mo2C VC TiC具有复杂晶体结构的碳化物Cr23C6 Cr7C3 Fe5W3C 特殊碳化物的晶体结构与渗碳体不同 可分为 V Ti Nb Zr Al等合金元素可是显著细化A F晶粒及M 提高钢的强度 硬度 并能提高钢塑性和韧性 细晶强化 钢的其它强化手段 提高强度 硬度是以降低塑 韧性为代价的 只有细晶强化既可以提高钢的强度和硬度 又能提高钢的塑性和韧性 合金元素固溶于铁素体及奥氏体中 会改变同素异构转变温度A4 A3共析温度A1共析成分S奥氏体中碳的最大溶解度点E 使钢获得特殊性能 合金元素加入钢中后会改变相图 使钢在室温下得到单相组织 并可形成致密的氧化膜和金属间化合物 使钢获得耐蚀性及耐热性 形成单相组织 特点 A4 A3 相区扩大扩大 相区并与 Fe形成无限固溶体的元素Ni Mn等部分扩大 相区与 Fe形成有限固溶体的元素C N Cu等 扩大 相区合金元素 稳定元素 扩大 相区并与 Fe形成无限固溶体 部分扩大 相区并与 Fe形成有限固溶体 特点 A3 A4 相区缩小缩小并完全封闭 相区的元素Cr V Mo W Ti Al Si等仅使 相区部分缩小而不闭的元素 b Ta Zr等 缩小 相区的元素 稳定元素 缩小并完全封闭 区并与 形成无限固溶体 缩小并完全封闭 区并与 形成有限固溶体 部分缩小 区而不封闭 当钢中wNi 9 wMn 13 时 可使A3降低至室温 此时钢在室温下为单相奥氏体组织 称为奥氏体钢 此类钢具有耐蚀 耐高温 抗磨损等特殊性能 当钢中wCr 17 28 时 可使奥氏体区消失 此时钢在室温下为单相铁素体组织 称为铁素体钢 此类钢也具有耐蚀 耐高温等特殊性能 合金元素Si Cr Al Ni W Mo Ti等加入钢中后 会形成致密氧化膜SiO2 Cr2O3 Al2O3等金属间化合物FeSi FeCr Ni3Al Ni3Ti Fe2W Fe2Mo等 形成致密氧化膜或金属间化合物 致密的氧化膜覆盖在钢的表面上 可提高钢的耐蚀性和高温抗氧化性 金属间化合物可阻碍位错在高温下的运动 提高钢的蠕变抗力 及高温强度 合金元素在钢中作用 细化A晶粒 提高淬透性 提高回火抗力 固溶强化 Ni Si Al Co Cu Mn Cr Mo W 第二相强化 扩大A相 扩大F相 形成致密氧化膜 1 按用途分 合金结构钢 合金工具钢 特殊性能钢 一 分类 二 合金钢的分类及牌号 2 按化学成分分类 1 按合金元素种类分为 2 按合金元素含量分为 低合金钢 Me 5 中合金钢5 10 铬钢 锰钢 硅锰钢 铬锰硅钢 铬镍钢 铬镍钼钢等 3 按质量分 普通钢wS 0 050 wP 0 055 优质钢wS 0 040 wP 0 040 高级优质钢wS 0 030 wP 0 035 4 按金相组织分 珠光体钢 包括S T钢 贝氏体钢马氏体钢奥氏体钢 二 编号 数字 化学元素 数字 合金元素平均含量 主要合金元素符号 平均含碳量 1 含碳量的标记 结构钢 wC 10 000工具钢 wC 1 000 为了避免与结构钢混淆 又规定wC 1 0 时不予以标注 高速钢例外 其wC 1 0 也不标注 特殊性能钢 wC 1 000wC 0 08 0 1 标1wC 0 03 0 08 标0wC 0 03 标00 2 合金元素含量的标记 注 滚动轴承钢铬的标记除外 wCr 1 000 3 附加标记 高级优质钢 编号后 A 高 特殊用途钢 编号前 特殊用途符号 G 滚动轴承钢 C 磁钢 Y 易切削钢 40CrNiMo30CrMnSiNi230CrMnSiAGCr150Cr131Cr170Cr18Ni9W18Cr4V wC0 004 的CrNiMo合金结构钢 wC0 003 wNi2 的合金结构钢 wC0 003 的高级优质合金结构钢 wCr1 5 的滚动轴承钢 wC0 03 wCr13 的M不锈钢 wC0 08 wCr17 的F不锈钢 wC0 03 wCr18 wNi9 的A不锈钢 wW18 wCr4 的高速钢 要点总结 熟悉合金元素在钢中存在的形式和作用掌握第一第二类回火脆性了解合金结构钢的牌号及特点 合金元素在钢中作用 细化A晶粒 提高淬透性 提高回火抗力 固溶强化 Ni Si Al Co Cu Mn Cr Mo W 第二相强化 扩大A相 扩大F相 形成致密氧化膜 淬火钢回火后的韧性下降现象称为回火脆性 在250 400 出现韧性下降 称第